传输计算器 – 信号功率与数据速率
计算无线通信链路的自由空间路径损耗、接收功率、SNR、香农信道容量和带宽效率。
输入发射功率、距离、频率、带宽、数据速率和天线增益，即可分析任何无线系统中的信号传播。
传输计算器 – 信号功率与数据速率
计算无线通信链路的自由空间路径损耗、接收功率、SNR、香农信道容量和带宽效率。
关于传输计算器
信号传输分析是电信工程的基石。每当电磁能量从天线发射出去，它就会向三维空间扩散，其功率密度会随着与信源距离的平方而下降。理解这种变化，以及它对通信系统设计施加的限制，对设计 WiFi 网络、蜂窝基站、卫星链路、广播电台和雷达系统的工程师至关重要。
链路预算中最重要的单一指标是自由空间路径损耗（FSPL）。对于在无障碍环境中以距离 d、频率 f 传播的信号，FSPL（以分贝计）= 20·log₁₀(d) + 20·log₁₀(f) − 147.55，其中 d 的单位是米，f 的单位是赫兹。路径损耗并不是耗散性损失；它只是球面扩展的波前把发射能量分散到不断增大的表面积上的结果。由于波长更短，在相同距离下，高频信号比低频信号损失更多功率——天线孔径只覆盖了扩展球面中更小的一部分。
接收功率则为：Pr (dBm) = Pt (dBm) + Gt (dB) + Gr (dB) − FSPL (dB)，其中 Pt 为发射功率，Gt 为发射天线增益，Gr 为接收天线增益。为简化起见，此计算器假设两端使用相同天线。天线增益不会凭空产生功率；它只是把功率集中到特定方向。15 dB 增益天线会像探照灯一样把功率聚焦，相比各向同性参考可等效为将发射功率乘以约 31。
信噪比（SNR）通过将接收功率与热噪声功率 N = k·T·B 进行比较来计算，其中 k 为玻尔兹曼常数（1.38 × 10⁻²³ J/K），T 为噪声温度（标准为 290 K），B 为带宽。带宽越大，接收到的噪声也越多，这也是为什么在相同 SNR 下，宽带系统需要远高于窄带系统的信号功率。
香农-哈特利定理为任何信道上可可靠传输的信息速率设定了一个基本上限：C = B·log₂(1 + SNR)。这个理论最大值称为香农容量，无论调制和编码方案多么巧妙，都不可能被超越。现代系统如 5G NR 和 Wi‑Fi 6 采用自适应调制与编码，在良好信道条件下可逼近这一极限，仅相差几个十分之一 dB。香农容量与带宽之比称为频谱效率，它告诉你该信道理论上每赫兹每秒可以传送多少比特。将其与实际数据速率效率进行比较，可以看出系统对可用频谱的利用效率。
传输计算器示例
从室内 WiFi 到地球同步卫星的三个通信场景，展示尺度如何影响路径损耗和容量。
| 场景参数 | 路径损耗 / 接收功率 | 说明 |
|---|---|---|
| WiFi：0.1 W，10 m，2.4 GHz，20 MHz 带宽，54 Mbit/s，2 dBi 增益 | FSPL ≈ 60.1 dB，Pr ≈ −36.1 dBm | 典型的家用路由器在 10 m 处的情况。若热噪声底约为 −101 dBm，则 SNR ≈ 65 dB——足以支持 54 Mbit/s 的 802.11g。 |
| 蜂窝：50 W，1 km，900 MHz，5 MHz 带宽，10 Mbit/s，15 dBi 增益 | FSPL ≈ 91.5 dB，Pr ≈ −14.5 dBm | GSM/LTE 基站。较高的天线增益弥补了 1 km 的路径损耗；SNR 远高于语音和基础数据业务的门限。 |
| 卫星：100 W，35,786 km，12 GHz，50 MHz 带宽，100 Mbit/s，40 dBi 增益 | FSPL ≈ 205.1 dB，Pr ≈ −75.1 dBm | 地球同步轨道卫星链路。上下行两端的高增益天线（抛物面天线）弥补了巨大的路径损耗。 |
如何使用传输计算器
- 输入发射机输出功率，单位为瓦。这是送到天线端口的功率，而不是发射机的直流输入功率。
- 输入发射机与接收机之间的距离，单位为米。对于卫星链路，请使用斜距（不是高度），单位同样为米。
- 输入载波频率，单位为赫兹。例如 2.4 GHz = 2,400,000,000 Hz。频率越高，自由空间路径损耗越大。
- 输入信道带宽（赫兹）、标称数据速率（比特/秒）以及天线增益（dBi，即相对于各向同性辐射器的分贝值）。计算器会在发射端和接收端应用相同增益。
- 点击计算。查看路径损耗、接收功率、SNR 和香农容量。如果接收功率低于系统噪声底，则在指定范围内链路将无法工作。
传输计算器常见问题
什么是自由空间路径损耗，为什么它会随频率升高？
自由空间路径损耗是信号在传播远离信源时，由电磁波球面扩散引起的功率衰减。它会随着频率升高而增大，因为更高频率的信号波长更短——固定物理尺寸的接收天线在更短波长下捕获到的入射功率比例更小。换句话说，固定增益天线在更高频率下的有效孔径更小。
为什么距离加倍只会让路径损耗增加 6 dB？
路径损耗遵循平方反比定律：接收功率与 1/d² 成正比。用分贝表示时，距离加倍会使路径损耗增加 20·log₁₀(2) ≈ 6 dB。因此，距离翻倍会让接收功率降低到原来的 1/4，而不是 1/2。很多人误以为距离与信号强度之间是线性关系，因此常常会误解这一点。
什么是香农容量，真实系统能接近到什么程度？
香农容量 C = B·log₂(1 + SNR) 是在给定带宽和 SNR 的信道上可可靠传输的理论最大数据速率，与调制或编码方案无关。现代系统在自适应调制（256-QAM 或 1024-QAM）配合 LDPC 或 turbo 编码时，可以逼近香农极限 1–2 dB，也就是说它们能够传输到理论最大值的 70–90%。
什么是天线增益，它如何影响链路预算？
天线增益衡量的是，与各向同性辐射器相比，天线在其偏好方向上发射（或接收）了多少更多的功率。15 dBi 天线会把功率在波束中集中约 31 倍。在链路预算公式中，发射和接收天线增益会直接增加接收信号电平（以 dB 计），相当于在不增加发射机功率的情况下放大了有用信号功率。
带宽如何影响噪声和数据容量？
热噪声功率与带宽成正比：N = kTB。带宽加倍会使噪声功率加倍（增加 3 dB 噪声），从而使 SNR 降低 3 dB。不过，根据香农公式，带宽加倍也有可能把单位 SNR 下可实现的数据速率翻倍。自适应系统会通过调制阶数和编码率来平衡这一取舍。
这个计算器能用于室内或城市传播吗？
该计算器建模的是自由空间传播，这对视距户外链路（卫星、点对点微波）是准确的。室内和城市环境会因墙体、家具、建筑物以及多径衰落而产生额外损耗——通常可根据场景再增加 10–40 dB 的路径损耗。对于这些应用，可额外加入室内穿透损耗，或使用 ITU-R P.1238 或 COST 231 Hata 等经验模型。